Producción automatizada en el maquinado de bielas

Para producir componentes con la alta velocidad de procesamiento que requiere la industria automotriz es necesario un ambiente de fabricación rápido, flexible y rentable.

Es por eso que el fabricante de bielas Metaldyne decidió cambiarse de la línea de equipos dedicados convencionales a la celda de producción completamente automatizada de Mazak. La flexibilidad de la celda le permite al fabricante producir una amplia variedad de estilos de bielas para mantenerse al día con los nuevos diseños de barras y motores, permitiendo incluso desarrollar trabajos que son difíciles de considerar para otros fabricantes.

Bielas forjadas: métodos y ventajas

La planta de 180 empleados de Metaldyne en North Vernon, Indiana, produce altos volúmenes de bielas  forjadas por los métodos de fracture-split y pulvimetalurgia, los cuales mejoran el desempeño del motor en comparación con las bielas forjadas por estampado convencional.

Aunque las nuevas mezclas avanzadas de material en polvo hacen las bielas más fáciles de mecanizar durante el proceso de corte, la producción de estas bielas puede ser compleja para las máquinas, especialmente en ambientes de alta producción 24/7.

Extremos trapezoidales: una innovación en bielas

La mayoría de las bielas de Metaldyne cuenta con lo que se conoce como extremos trapezoidales (TP). Estos ángulos de 6, 10 o 12 grados son mecanizados por ambas caras del extremo pinado de la biela, donde se montan los pistones a las bielas.

Esto reduce el peso y crea una separación adicional, permitiéndoles a los fabricantes de autos que pueden usar pistones con pines más grandes, como es el caso de los motores más pequeños, de alta compresión, de inyección directa y turboalimentados, los cuales producen una mayor potencia y consumen menos combustible.

Como la demanda de este tipo de motores se ha incrementado, también lo han hecho las órdenes de bielas Metaldyne con extremos TP. De acuerdo con Greg Cunningham, ingeniero de procesos en Metaldyne, la primera orden de productos con extremos TP fue una orden sustancial de un gran fabricante automotriz. Para desarrollar este trabajo la planta se preparó para los sistemas dedicados existentes, lo cual significó poner las máquinas a su capacidad plena.

“Estábamos a plena capacidad con nuestras máquinas especializadas y, encima de eso, el tiempo de paso para el segundo proyecto era demasiado estrecho. No había tiempo para instalar otro sistema dedicado” indica Cunningham.

En lugar de esperar un año o más por otra máquina especializada, Metaldyne trabajó con el constructor de máquinas-herramienta Mazak Corp. (Florence, Kentucky) y su distribuidor Shelton Machinery en Fishers, Indiana, para instalar una celda de alta producción automatizada, compuesta por dos centros de mecanizado horizontal Nexus (HCN) 400-II y un robot autónomo FANUC. Mazak entregó los dos centros de mecanizado (HMC) en cuatro meses.

“Este corto tiempo de entrega, junto con la capacidad y flexibilidad de la máquina, definitivamente influyeron en nuestra decisión de irnos con Mazak, así como el hecho de que la compañía está cerca” indica Cunningham.

Cada HMC proporciona una alta velocidad de desplazamiento que va hasta 2,362 pulg/min con una tasa de aceleración de 0.8-G. Las mesas giratorias de control numérico giran 90 grados en 1.5 segundos e incluyen un paso mínimo de 0.001 grados para indexado y mecanizado preciso en cuatro ejes.

Además de la capacidad de cambio de dos pallets, cada máquina proporciona desplazamientos en X, Y y Z, de 22.1, 24.8 y 25.2 pulgadas, respectivamente. Adicionalmente, las máquinas proporcionan la repetibilidad y precisión necesarias para que la compañía obtenga los requerimientos de tolerancia de sus bielas, que pueden ser tan estrechas como 0.0002 pulgadas.

Mecanizado de bielas por pulvimetalurgia y su flexibilidad

De acuerdo con Cunningham, la HCN 400-IIs posee la velocidad, potencia y rigidez necesarias para soportar los rigores de los procesos continuos de mecanizado de bielas por pulvimetalurgia. Metaldyne también puede cambiar de tipo de biela en tan solo unas pocas horas con estos HMC, a diferencia de la duración de varios días que se requieren con el equipo dedicado.

Otro beneficio de la celda automatizada es que puede usarse si el equipo dedicado de la planta no se encuentra disponible o si la producción se encuentra en un pico. 

“Mazak entendió realmente nuestros objetivos de mecanizado,” indica Cunningham. “En lugar de solo traer una máquina e instalarla, Mazak entendió exactamente lo que necesitábamos obtener y diseñó una celda completa para cumplirlo”.

Por ejemplo, los ingenieros de Mazak y Shelton trabajaron juntos con Metaldyne para garantizar que el sistema de fijación proporcionara una sujeción segura de las piezas y que los cambios de configuración fueran tan rápidos y fáciles como fuera posible, comenta Cunningham. Ellos también probaron la automatización antes de la instalación.

Adicionalmente, Mazak ejecutó la programación de forma tal que Metaldyne pudiera tener un sistema llave en mano completo. El Sr. Cunningham indica que los controles CNC Matrix Nexus CNC son amigables con el usuario, de manera que es fácil para Metaldyne editar la programación en caso de ser necesario.

Quizás aún más benéfico, la celda le permite a la planta asumir programas de más bajo volumen, como aquellos que requieren solo medio millón de bielas por año e incluso producción de prototipos. Otros fabricantes de bielas dudan a menudo para ofertar trabajos de bajo volumen, debido a los costosos cambios de configuración y al remontaje del herramental que esto involucra.

Automatización y eficiencia en la celda de producción

Dentro de la celda, los HMC de Mazak son configurados con ángulos internos de manera que un solo robot pueda realizar las operaciones de carga y descarga de ambas máquinas.

La celda trabaja de manera completamente desatendida, aunque una persona realiza el control de calidad de forma verificando periódicamente, para asegurarse de que las piezas sean alimentadas de forma correcta y de que no haya alarmas causadas por una pieza montada incorrectamente en un sistema de fijación.

Sobre los pallets de la máquina el sistema de sujeción de piezas tipo lápida, equipado con sistemas de fijación actuados hidráulicamente, asegura las bielas, permitiendo el mecanizado de ambas caras con extremos TP.

El HCN 4000-IIs realiza los ángulos TP en un único corte recto en el eje Z, empleando una de las tres herramientas de corte con insertos de diferente tamaño –dependiendo del tamaño de la biela–.

Las máquinas cuentan con una gran cantidad de herramental redundante, así como con juegos de herramental específicamente diseñados para cada tamaño de biela, los cuales trabajan a lo largo de la celda. Esta operación de 4 segundos de una sola pasada puede remover hasta 0.180 pulgadas de material para un ángulo de 6 grados, y hasta 0.360 pulgadas para un ángulo de 12 grados.

Las herramientas de corte penetran hasta estas profundidades de ángulo requeridas. Las máquinas Mazak pueden realizar los extremos TP sobre seis bielas cada 56 segundos, superando al equipo dedicado de Metaldyne con sistemas de carga tipo pórtico.

Con la velocidad incrementada de las celdas y la flexibilidad para cambiar de forma económica el tiempo de biela,  Cunningham prevé un continuo crecimiento para Metaldyne. Las plataformas para motores más pequeños y la capacidad de la planta para mecanizar y ofrecer bielas altamente resistentes y de peso ligero a partir de materiales en polvo avanzados, serán los catalizadores para un negocio más grande, indica.